Диссертация (Усовершенствование моделей и методов расчета турбулентных течений в недеформируемых границах), страница 24

Никурадзе в гладкихтрубах, которые приведены в главе 1 .Таким образом, установлена связь между параметром Кармана и коэффици­ентом корреляции продольных и вертикальных пульсаций скорости, который яв­ляется параметром, отражающим турбулентное трение, интенсивность и вероят­ностные свойства турбулентных пульсаций скорости [53,6 6, 67]. Выполненные вданном параграфе сопоставления, расчеты и выводы относятся к зоне турбулент­ного ядра потока, в пределах которого справедлива теория Прандтля.Влияние центробежных эффектов [151], возникающих при закрутке турбу­лентного потока на его кинематическую структуру, пульсации скорости и давле­ния, рассмотрено в [46] и приведено в Приложении 13.Выводы по главе:1.

Предложена уточненная схема вертикального переноса количества движе­ния, в которой принимается во внимание количество движения, находящее­ся в граничащих слоях, и время переноса количества движения из слоя вслой.2. На основе уточненной схемы вертикального переноса количества движенияполучено уравнение для расчета вертикальной пульсации скорости. Расчетпо полученному уравнению показывает качественную сходимость с экспе­риментальными данными и значительное количественное отличие, что тре­бует корректировки положений, заложенных в схему вертикального пере­носа.1753.

Предложена корретировка уравнения Лоренца, которое используется в схе­ме вертикального переноса, учитывающая неодинаковость времени получе­ния и расходования избыточного (недостаточного) количества движения.Показано, что время расходования избыточного (недостаточного) количест­ва движения близко к периоду разрушения вязкого подслоя.4. Выполненный анализ показал, что командным механизмом, управляющимвозникновением крупномасштабных турбулентных возмущений являетсянеустойчивость вязкого подслоя.5. Предложена модель возникновения вертикальных пульсаций скорости наоснове действия пульсаций донного давления.

Выполнен расчет изменениявертикальных пульсаций скорости с использованием предложенной моделии динамического уравнения, результаты которого подтверждаются даннымиизмерений различных авторов.6. Выполнен расчет продольных пульсаций скорости с использованием кине­матического подохода, предполагающего проникновение поверхностныхбыстродвижущихся масс жидкости в толщу потока и компенсационноедвижение медленных придонных масс.

Полученный результат потребовалкорректировки, в результате которой установлено изменение скорости мед­ленных масс в процессе их разгона и уточнен продольный размер медлен­ных масс жидкости, который согласуется с данными измерений.7. Определено продольное расстояние между выбросами масс жидкости изпридонных слоев в толщу потока, которое близко к найденной длине мед­ленной массы и экспериментально определенной длине автокорреляциипродольных пульсаций скорости. Это позволяет считать, что продольныепульсации скорости генетически связаны с выбросами замедленных массжидкости из придонных слоев в толщу потока, при которых течение оказы­вается возмущенным на больших продольных расстояниях.8. С использованием уравнения Лоренца для турбулентных касательных на­пряжений и коэффициента взаимной корреляции продольных и вертикаль-176ных пульсаций скорости установлено изменение параметра Кармана по глу­бине потока.177Глава 4.

МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЛАБОРАТОРНЫХ И НАТУРНЫХИЗМЕРЕНИЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТЕЙ И ТУРБУЛЕНТНОСТИВОДНЫХ ПОТОКОВ4.1 Задачи экспериментальных исследованийЗадачи экспериментальных исследований были определены с учетомнеобходимости проверки результатов и зависимостей, полученных расчетно­аналитическими методами, поскольку эти методы содержат, как правило,априорные предположения и гипотезы[25, 29, 37, 41, 51].

Результаты,полученные расчетно-аналитическими методами, изложены в соответствующихглавах диссертации.В задачи экспериментальных исследований входило определение параметровлогарифмических профилей скорости (к и С) в напорных потоках с гладкими ишероховатыми границами. В качестве экспериментальных данных использованырезультаты измерений И. Никурадзе и других авторов.

Следует отметить особыйспособ измерений скорости течения вблизи стенки трубы, который предполагалкорректировку показаний трубки Пито на расстояниях, соизмеримых с диаметромприемногоотверстиядляизмеренияоспариваются многими авторамиполного[2, 38,давления.Эти результаты131], поэтому одной из задачэкспериментальной части настоящей работы являлось детальное исследованиераспределения скоростей в пристеночной зоне потока с использованием ЛДИС,при котором не нарушается структура потока.

При этом особое вниманиеуделялось точному определению положению плоскости отсчета вертикальнойкоординаты, которое, как показано В.М. Лятхером [108], сильно влияет наопределение параметров логарифмического профиля скорости. Как показановыше, эти параметры существенно зависят от коэффициента гидравлическогосопротивления, определение которого во всех случаях входило в задачиэкспериментальныхисследований.Посколькувкачественормирующегопараметра при анализе и обобщении распределения скоростей используетсядинамическаяскорость,ееопределениетакжевходиловзадачи178экспериментальнойчастиработы.Приисследованиинапорныхтеченийдинамическая скорость определялась по измеренным потерям напора.Параметры к и С логарифмического распределения скоростей традиционносчитаются постоянными и определяются осреднением по поперечному сечениюизмеренных значений скорости.

Детальный анализ распределения скоростей,выполненный в §1.4 показал, что величины к и С не остаются постоянными, азаметно изменяются с расстоянием от стенки трубы. Это обстоятельство ранеенедостаточно изученное требует дополнительного экспериментального изучения.Феноменологическиеподходы,включающиеразличныегипотезыотурбулентной вязкости и длине пути перемешивания, приводят к различнымописаниям распределения скоростей по поперечному сечению турбулентногопотока.Взадачиэксперимента входила проверкастепенисоответствияэкспериментальным данным расчетных распределений скоростей, полученныхпри различных гипотезах о турбулентной вязкости и длине пути перемешивания.В связи с тем, что рассмотрение пристеночного течения обнаруживаетсущественнуюнестационарностьичередованиепериодоввязкогоитурбулентного движения, влияющих на распределение скоростей во всем потоке,в программу экспериментальных исследований включены анализ и обобщениеданных по продолжительности характерных периодов течения.Значительная частьдиссертациипосвящена расчетномуопределениютурбулентных пульсаций скорости, которая содержит ряд предположений,требующих экспериментальной проверки полученных результатов.

Учитывая это,в задачи экспериментов включены измерения продольных и вертикальныхпульсаций скорости на различных расстояниях от твердой границы потока.Какпоказалвыполненныйанализ,коэффициентгидравлическогосопротивления является ключевым фактором, определяющим кинематическуюструктуру потока и распределение турбулентных пульсаций скорости. Однако припереходном режиме сопротивления обоснованных зависимостей для расчета X донастоящего времени предложено не было, поэтому в задачи экспериментальныхисследованийвходилоопределениекоэффициентагидравлическогосопротивления открытых каналов и анализ имеющихся экспериментальных179данных по гидравлическому сопротивлению шероховатых труб в переходномрежиме.

Полученные данные по гидравлическому сопротивлению в переходномрежиме предполагается использовать для проверки предложенной моделипристеночного течения, учитывающей перемежаемость в вязком подслое.Как известно, расчет неравномерного движения в открытых каналах основанна энергетическом принципе, использованном Б.А. Бахметевым в предположениипостоянства коэффициента Кориолиса и справедливости традиционных формулсопротивления. Выполненный анализ с учетом связи между коэффициентомКориолиса и гидравлическим сопротивлением позволил выявить заметныеразличия с традиционным расчетом неравномерного движения по Б.А.

Бахметеву[7]. Это потребовало включения в программу экспериментов измерений в зоненеравномерного движения для проверки результатов расчета.Предложенновыйдинамическийподходканализунеравномерногодвижения, который позволил получить условия формирования свободнойповерхностипотокагидравлическоговзависимостисопротивления.отЭтичислаФрудаирезультатыкоэффициентапотребовалиэкспериментального определения форм кривых свободной поверхности дляразличных условий течения на начальном участке потока при входе его в канал.Детальные экспериментальные исследования кинематической структуры игидравлического сопротивления в основном выполнялись в лабораторныхусловиях.

Поскольку достаточно точных измерений в натурных условиях речныхпотоковнедостаточно,программойэкспериментовбылопредусмотреноизмерение распределения скоростей в речном потоке при различных числахРейнольдсаивусловияхслабойпрохождении весенних половодий.нестационарности,возникающихпри1804.2 Параметры лабораторных гладких и шероховатых каналов игидравлические режимы их работыИсследования равномерного движения и неравномерного движения при вхо­де потока в канал выполнялись в гладком канале и в канале с различной шерохо­ватостью дна при различных уклонах.

Шероховатость создавалась цилиндриче­скими выступами различной высоты (d), установленными в шахматном порядкена дне канала с шагомM =10d.В процессе экспериментов измерялась глубина по­тока на различных расстояниях от входа в канал вплоть до установления равно­мерного режима движения. В каждом контрольном створе измерялось распреде­ление скоростей по глубине потока.Схема гладкого лабораторного канала с основными элементами оборудова­ния приведена на рисунках 4.1 и 4.2.Рисунок 4.1 - Лабораторный гидравлический канал:1 - рабочий участок канала, 2 - насос, 3 - напорная труба, 4 - расходомер, 5 - пульт управленияканалом, 6 - пульт управления уклоном канала, 7 - пьезометрический щит, 8 - уровнемер, 9 рельсы с миллиметровой шкалой для перемещения инструментальных кареток с зондами, 1 0 несущая балка, 11 - опора181Общая длина гладкого канала составляет 15,5 м, длина рабочего участка 12,5м [173]; ширина канала В = 311 мм, максимальная глубина Н = 450 мм; уклонканала изменялся от 0 до 0,005%.